1.1　玄武岩及其纤维材料的特征

砂浆和混凝土使用的纤维种类较多,按材料性质可以分为三类:①金属纤维,如钢纤维等;②无机纤维,如抗碱玻璃纤维、碳纤维和碳化硅纤维等人造矿物纤维;③有机纤维,主要有聚丙烯纤维、尼龙纤维等合成纤维和天然植物纤维。

与其他纤维相比,玄武岩纤维具有一定的优势。但由于玄武岩纤维的产地不同,原材料本身成分的波动性大,化学成分较为复杂,其物理力学性能及耐化学介质等性能存在着一定的差异,影响了玄武岩纤维成型工艺的稳定性,使得玄武岩纤维在拉伸强度等方面的特性产生较大波动[16-17]。

玄武岩为天然火山熔岩,经过高温喷发而成,其主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等多种氧化物[9,14,18-20]。由于玄武岩纤维原料的差异,连续玄武岩纤维的化学成分有所不同。

表1.1列出了一些连续玄武岩纤维不同的化学成分(质量比)。

与其他纤维相比,玄武岩纤维有以下特征[1-3,11,13-14,16,21-29]:

(1)材料的环保性。玄武岩纤维的原料取自于天然的火山岩(主要含玄武岩和安山岩),在一定程度上避免了传统材料在生产、使用和废弃过程中需要消耗大量的能源和资源,造成环境污染等缺点。

(2)较好的物理力学性能。玄武岩纤维(无捻粗纱浸胶)的抗拉强度普遍能达到2000MPa以上,弹性模量也能达到90GPa左右。其具有三维的分子维数,与分子维数是一维的线性聚合物相比,CBF具有较高的抗压强度、抗剪强度和在耐恶劣环境中使用的适应性及抗老化性等性能。玄武岩纤维在400℃温度下工作时,其断裂强度能保持85%;在600℃下工作,其断裂强度仍能保持80%左右;玄武岩纤维软化点为960℃,在高温下其强度可保持较长时间。

(3)稳定的化学性能。玄武岩纤维具有较高的抗碱抗酸性能,且耐酸性和耐碱性均优于铝硼硅酸盐纤维。

(4)工艺的简洁性。生产玄武岩纤维的基本工艺是:玄武岩矿石投入熔炉→融化→拉丝,工艺简洁。由于不需要人工配料,其生产工艺环节比一般的纤维工艺要简洁得多。

(5)应用的广泛性。国内外将玄武岩纤维用于制备摩擦材料、造船材料、过滤材料、军工和航空航天材料以及水泥基复合材料等。在土木工程领域,短切玄武岩纤维可用于增强水泥混凝土和沥青混凝土,与树脂复合可以制成复合筋代替钢筋;在房屋、桥梁和高速公路等建筑领域可用于构件的加固补强。